LedController

controllo e dimming di led colorati in base:

• all'immagine visualizzata su display
• colore fisso scelto dall'utente
• modalità rainbow
• effetti audio

Struttura del progetto

• Host Questa parte gira sul computer e ha il compito principale di analizzare il contenuto multimediale (video o musica) e calcolare, per ciascun momento, quali colori dovranno essere inviati ai led. Una volta elaborati i dati, l’host li spedisce ad Arduino tramite la porta seriale, seguendo un protocollo ben definito. In questo modo, Arduino si limita a ricevere comandi già pronti, senza dover svolgere calcoli complessi.
• Arduino La parte Arduino, invece, ha il compito di ricevere i dati seriali dall’host e comandare i led. Riceve i pacchetti seriali, decodifica il protocollo, imposta i timer PWM (Pulse Width Modulation) sui pin corretti per controllare i led RGB (su Arduino è implementata anche una modalità autonoma, l’effetto Rainbow, che non richiede alcun dato dal PC)

Setup LED

Vengono impostati i pin come output e vengono configurati i timer in modalità PWM Scrivendo valori negli OCR si regola la luminosità

LED	Colore	PortPin	Timer / OCR	Pin
LED0	R	PL5	OC5C	Pin 44
LED0	G	PL4	OC5B	Pin 45
LED0	B	PL3	OC5A	Pin 46
LED1	R	PH3	OC4A	Pin 6
LED1	G	PH4	OC4B	Pin 7
LED1	B	PH5	OC4C	Pin 8
LED2	R	PE3	OC3A	Pin 5
LED2	G	PE4	OC3B	Pin 2
LED2	B	PE5	OC3C	Pin 3
LED3	R	PB4	OC2A	Pin 10
LED3	G	PH6	OC2B	Pin 9
LED3	B	PG5	OC0B	Pin 4

LED0 - metà sinistra verticale LED1 - metà sinistra alta LED2 - metà destra alta LED3 - metà destra verticale

Protocollo Seriale

Byte #	Significato
0	Start byte 0xAA
1	Start byte 0x55
2	Mode (1 = rainbow, 2 = colore fisso, 3 = video frame, 4 = musica)
3	N dati successivi
4 … N+3	Payload
N+4	Checksum

L'host invia i pacchetti via seriale ad Arduino e quest'ultimo riceve i dati e aggiorna di conseguenza i led

N.B. il pacchetto di fine per la seriale ha la seguente modalità 0xFF e non ha il payload, e quando Arduino lo riceve spegne tutti i led

Modalità di funzionamento

• Rainbow: Arduino fa ciclare i colori su tutti i led, producendo così un effetto arcobaleno (l'host invia un pacchetto con la modalità selezionata e pacchetto vuoto)

• Colore fisso: l'utente decide quale colore mostrare sui led, impostando i valori R, G e B (l'host manda un pacchetto con la modalità selezionata e pacchetto di lunghezza tre con i valori scelti di R, G e B)

• Frame video: l'host analizza un video frame per frame e manda ad Arduino i colori che devonono essere impostati sui led, sincronizzando le luci a ciò che avviene sullo schermo

Step 1 - Estrazione dei frame: vengono estratti i frame in formato PPM (Portable Pixmap) Il formato PPM è fatto in questo modo: P6 width height 255 [binary RGB data] -> indica tutti i pixel ognuno con 3 byte RGB

Step 2 - Analisi dei frame: ogni frame viene letto e analizzato dall’host. Per decidere che colore mandare ai led, ho implementato tre diversi algoritmi tra cui si può scegliere:

a. Media colori: ho diviso i frame in quattro sezioni (una per ogni led) e calcolo la media dei valori R, G, B per ogni regione con 4 thread in modo da calcolarli in parallelo

b. Colore predominante: simile al precedente ma invece di calcolare la media, costruisco un istogramma dei colori diviso in 16 livelli (histo[16][16][16]) e alla fine individuo il colore più popolato

c. K-means: è un algoritmo più complesso e serve per trovare i colori più significativi, anche in immagini molto complesse. Segue i seguenti passi:

START ↓ inizializza centroidi casuali ↓ ciclo iterazioni: → assegna pixel a centroidi → ricalcola centroidi ripeti ↓ per ogni centroide: → calcola dei parametri (saturazione, luminosità, differenza valori rgb) → calcola score scegli cluster col punteggio più alto ↓ ritorna colore dominante

Step 3 - Invio dei colori via seriale: l’host prepara il pacchetto con i colori dei 4 led (payload ha grandezza 12 byte). Poi spedisce il pacchetto seriale ad Arduino, sincronizzandosi con il framerate, in questo modo il cambio colore dei led è sincronizzato con il video.

Per sincronizzare video e led: -> Misuro quanto tempo impiego a elaborare il frame -> Eseguo la logica: analizzo il frame, mando i dati, avvio il video (solo durante il primo frame) -> Calcolo quanto tempo è passato -> Decido quanto aspettare in base a quanto ogni frame deve durare (1sec/FRAME_SEC) -> Faccio dormire il programma

• Musica: funziona in modo simile al video. L’host analizza un file audio in modo che i led possano pulsare seguendo la musica (più la musica è forte, più i led diventano luminosi). Anche qui l’host invia pacchetti seriali identici a quelli della modalità video.

Step 1 - Estrazione dell'audio in formato RAW: questo formato è puro audio digitale, senza intestazioni, né metadati.

Step 2 - Lettura dei campioni: l’audio viene letto in blocchi di 4410 campioni in modo tale da avere 10 campioni al secondo (44100campioni/sec / 10campioni = 4410 dimensione dei blocchi)

Step 3 - Calcolo dell'energia: per ogni blocco di audio si misura RMS (Root Mean Square), che rappresenta la potenza media o l’energia del segnale. L’RMS restituisce sempre un numero positivo compreso tra 0 e 1 che cresce quando il suono diventa più forte. Dal RMS calcoliamo la luminosità dei led moltiplicando per 255

RMS = sqrt( (1/N) * sum_{i=1}^{N} (sample_i / 32768)^2 )

Step 4 - Invio dei colori via seriale: l'host prepara il pacchetto da inviare alla seriale per i led (payload ha grandezza 3 byte). Poi spedisce il pacchetto sincronizzandosi come per la modalità video.